多路复用技术范文

多路复用技术范文（精选5篇）

多路复用技术 第1篇

关键词：多路复用技术,频分多路复用

多路复用实现了两个功能:它允许发射机和接收机之间的现有信道或链路用于同时传递多条消息 (增加了容量) ;它还允许将相关信号聚集到一个整体中, 然后由系统作为一个信号加以处理。

多路复用确保了两个信号不会同时占用相同的空间、频率和时间。它的实现方法是:增加新的物理链路 (空分) 、多个信号共享整个带宽的频谱 (频分) 、或者使每个用户都有机会依次访问链路 (时分) 。每种技术都在安装、成本、可靠性、检查维修的容易程度以及可达到的性能级别等方面具有优点和缺点。虽然多路复用可以用于模拟和数字信号, 但是时分多路复用适合于数字信号, 并且这些数字信号充分利用了数字电路。

1 多路复用简介

电子信号在特定的空间区域、规定的频带以及在已知的时间段内通过通信信道或链路。

当这三个元素 (空间、频率和时间) 对于两个或者多个信号都相同时, 就会产生干扰和冲突。多路复用 (复用) 是允许多个信号在信道中共存的一种技术, 它开发了共享空间、频率或者时间的机制。使用多路复用技术, 许多信号可以共享现有的信道, 并更充分地利用信道容量 (解多路复用是相反的操作) 。

使用多路复用技术有多种原因。通信系统可能会有多个新的单独用户需要在与第一个用户相同的两个端点之间发送消息, 并且在它们之间安装另一条物理电线或者建立新的发射机和接收机对通常都是不现实的。这种情况的一个好的示例是电话中心局之间的主干信道, 它携带有几十路通话。使用多路复用的另一个原因是它允许将几个不同的信号聚集在一个群中, 这样就可以在整个系统中从那个端点开始, 作为单个整体来处理它们。

有三种方法可以增加从发送端点传递到接收端点的信息量, 或者信号数。按它们发展的历史顺序, 它们分别是:

(1) 空分多路复用 (SDM) :通过在现有电线的旁边安装新的电线, 建立多个物理通道。

(2) 频分多路复用 (FDM) :每个用户信号调制整个可用带宽中的不同的载波频率。

(3) 时分多路复用 (TDM) :为每个信号分配一个“时间间隔”或者“时间片”, 并且每个信有机会 (按顺序) 使用信道链路和频率。

在这三类多路复用技术中, 没有一种技术天生就比其他两种技术好。针对一个应用的最佳选择取决于许多因素:可用带宽、距离、信号数和信号类型、成本和复杂度以及可靠性。实际上, 许多应用会在它从发射机到接收机的链路中多次复用信号, 并且从信号源到信号用户的整个信号流路径中, 每个阶段所使用的多路复用类型都可能是不同的。

多路复用技术允许其他信号使用信道中没有在使用的容量 (通常是可用的潜在带宽) , 当然会有限制。当将更多的信号多路复用在一起时, 会占用越来越多的可用带宽。因此, 对可以实现的多路复用数会有限制;例如, 可以是一些实际的限制:单个同轴电缆可以携带多少路话音信号, 或者宽带UHF频率分配可以支持多少路电视信号。

2 数字和模拟信号多路复用

SDM、FDM和T'DM的基本定义并没有指出被多路复用的用户信号是模拟的还是数字的。可以将多路复用技术应用于任何一类信号 (数字信号实际上是一类特殊的模拟信号) 。但是, 在实现多路复用的实际系统中, 被多路复用的信号类型对电路设计有着很大的影响。模拟信号的多路复用电路必须容纳具有整个值范围内的任何一个值的信号, 因此需要不会使信号失真的线性电路。数字多路复用系统希望信号只有有限的一组值 (在二进制数字情况下, 只有两个值) , 因此可以使用数字逻辑电路。

多路复用和调制 (通信中的两个重要元素) 是相关的, 但是不应该将它们相互混淆。幅度、频率和相位调制 (AM、FM、PM) 是将承载信息的信号与更高的载波频率联系起来的三种方法, 且调制是频分多路复用的关键。但是, 可以在空间、频率或者时间上多路复用已调信号;类似的, 已经多路复用的信号通常可以使用AM、FM或者PM技术调制载波。多路复用在一起的调制信号中的每个信号都可以使用不同类型的调制, 尽管它们常常具有相同类型的调制。没载波频率的未调制信号称为基带信号, 并且那个表示方法也用于描述进行FDM之前的信号。

3 频分多路复用

空分多路复用所引起的电报线和站设备的拥挤导致人们研究开发了频分多路复用。当链路 (首先是电线, 然后是无线传输链路) 的潜在带宽大于链路上所发送的消息带宽时, 就有可能进行FDM。因此, 如果将另一个消息从基带搬移到新的载波频率, 那么它就可以占用没有使用的带宽。已经作为调制 (AM、FM和PM) 研究了这个操作:将承载信息的信号加在载波上, 改变载波的幅度、频率或者相位。

在FDM的最早应用中, 电报站之间的电线链路的带宽大约是电报信号本身带宽的5倍。

因此, 可以同时发送5个信号:一个信号位于基带, 其他信号等间隔地分布在剩余带宽中。当然, 现代同轴电缆和光纤链路有更宽的带宽, 因此可以发送更多的信号 (22号双绞线的带宽大约为100k Hz~1MHz, 取决于电线扭曲的紧密性和间距、电线规格、绝缘性和其他因素) 。

FDM并不仅仅限于电线和光缆链路:当许多广播无线电和电视台都使用总带宽中唯一指定的载波进行发送以避免干扰时, 就出现了FDM。基带处没有调制信号;相反, 将每个调制信号都搬移到更高且略有不同的载波频率处, 这样就可以通过普通信道发送它们, 并在接收机端分开它们。这个信道可以是大气、真空或者电缆。

(1) FDM和群信号

FDM用于广播无线电和电视台的经验显示:允许相互独立的信号在不同频率共享相同时间和空间。提供这个功能的能力是FDM的主要特性, 但是还有一个特性在通信系统应用中非常重要。FDM允许将多个基带信号聚集在各个子载波附近, 然后通过一次多路复用 (调制) 操作, 在频率上将其作为单个群或整体搬移到最后的载波值。其目的是为了使通信系统发射机和接收机电路的其他部分更加简单和更可靠, 并且确保更好的性能。用户不必单独调谐电视信道的音频和视频信号, 单个调谐器 (当切换时) 可以找到用于这个信道的6MHz宽的频谱部分。然后, 通过本振和混频器将这个频谱部分搬移到固定的中频频率、视频和音频信号在与指定载波有关的已知频率处。由于最初是用精确的子载波多路复用基带音频和视频信号的, 所以它们一直保持那个频率间隔 (不管使用的最终发射载波频率是多少) 。

(2) FDM电路和性能

FDM电路工作在低的信号功率电平, 并且只将完整的多路复用信号放大到要发送的最后功率电平。FDM系统是由一组具有不同载波的幅度、频率和相位调制器组成的, 所有这些调制器都是并行操作的。信道间隔是由每个调制器的载波设置的, 并且调制类型是由使用的特殊调制器确定的。在将所有基带信号调制及合并到一起之后, 将多路复用的群信号放大到所需的功率电平。

在接收机端, 解多路复用首先是用标准的超外差技术将多路复用的信号下变频 (如果需要) 到中频 (IF) 。每个多路复用信道有一个本振和一个混频器, 并且将IF带宽设为等于调制以后的各个基带信号的带宽。解多路复用10个信号的接收机需要10个不同的本振 (LO) 和混频器, 每个LO工作在适合于它的理想信号的频率。这个方法很有效, 但是非常昂贵:设计和调整一组稳定的LO (时间上精确且不会漂移, 并且不会相互干扰而产生寄生频率) 非常难。

参考文献

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[2]钱晓伟.多路复用技术与应用[J].电子计算机与外部设备, 1998-10-15.

正交频分复用技术(3) 第2篇

8、 正交频分复用多址接入技术

正交频分复用(OFDM)本身是一种调制技术，但它可以很容易地与多种多址接入技术相结合，为多个用户同时提供接入服务。常用的多址接入方式有3种，分别是时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)和码分多址(CDMA)，OFDM都可以与它们结合，分别构成OFDM-TDMA、OFDM-FDMA和OFDM-CDMA 3种技术。

8.1 OFDM-TDMA

在正交频分复用时分多址(OFDM-TDMA)系统中，信息的传送是在时域上按帧来进行的，每个时间帧包含多个时隙，每个时隙的宽度等于1个OFDM符号的时间长度，有信息要传送的用户根据各自的需求可以占用1个或多个OFDM符号。每个用户在信息传送期间，可占用所有的系统带宽，即该用户的信息可以在OFDM的所有子载波上进行分配。

8.2 OFDM-CDMA

OFDM与CDMA扩频技术相结合的方法可分为两类：频域扩频和时域扩频。频域扩频通常称为Multicarrier CDMA(简称MC-CDMA)。时域扩频有两种不同的构成方法：分别称为Multicarrier DS-CDMA(简称MC-DS-CDMA)和Multitone CDMA(简称MT-CDMA)。

(1)MC-CDMA

MC-CDMA是最早提出的OFDM与CDMA相结合的方案。在此方案中，每个信息符号先经过与扩频序列各位相乘，相乘后对应于不同码片的信号分别调制到不同的子载波上，若扩频序列长度为L，信息符号则分别调制到L个子载波上，调制方式可采用二进制相移键控(BPSK)。如假定OFDM系统共有L个子载波，则CDMA系统的扩频增益等于L。

在直接序列扩频(DS-CDMA)系统中，信息在许多时间码片上用同一载波频率进行发送，而在MC-CDMA系统中，信息是在许多载波频率码片上同时进行发送的。可见，DS-CDMA与MC-CDMA系统之间有“时间/频率”的对应关系：MC-CDMA把信息同时调制在不同载波频率分量上(频率码片)，接收时对频率码片进行分集接收；DS-CDMA把信息同时调制在不同的时隙(时间码片)上，但是使用同一载波频率，接收时对时间码片进行分集接收。

(2)MC-DS-CDMA

在MC-DS-CDMA方案中，输入信息比特首先进行串/并变换，被分配到并行支路上，然后，各支路上的信息符号分别用长度为L的扩频码进行直接序列扩频，扩频后的信号再分别用各自的载波进行BPSK调制，调制后的信号进行求和后发送。

(3)MT-CDMA

在MT-CDMA方案中，输入的信息符号首先经过串/并变换，调制到不同的载波上，以形成OFDM信号，OFDM的符号周期为Ts。然后再经过长度为L的扩频码扩频，扩频后每个子载波的带宽扩展为L/Ts，而相邻子载波的间隔仍然保持以前的1/Ts。MT-CDMA一般采用较长的扩频序列，比DS-CDMA能容纳更多用户。

8.3 OFDM-FDMA

OFDM-FDMA在许多文献中又被称为OFDMA。这种多址接入方案与传统的频分复用(FDMA)很类似，它通过为每个用户提供部分可用子载波的方法来实现多用户接入。与传统FDMA的不同之处在于，OFDMA方法不需要在各个用户频率之间采用保护频段去区分不同的用户。

OFDMA接入方案的优势之一是可以很容易地引入跳频技术，即在每个时隙中，可以根据跳频图样来选择每个用户所使用的子载波频率。每个用户使用不同的跳频图样进行跳频，可以把OFDMA系统变化成为跳频CDMA系统，从而可以利用跳频的优点为OFDM系统带来好处。

与直扩CDMA或者MC-CDMA相比，跳频OFDMA的最大好处在于可以为小区内的多个用户设计正交跳频图样，从而可以较容易地消除小区内的干扰。

9 、正交频分复用的应用

目前OFDM技术已经在众多的高速数据传输领域得到了应用，如：欧洲的数字音频和视频广播(DAB/DVB)、欧洲和北美的高速无线局域网系统(如HIPERLAN/2和IEEE 802.11a)以及高比特率数字用户线(xDSL)。当前，人们正在考虑在基于IEEE 802.16标准的无线城域网(MAN)、基于IEEE 802.15标准的个人信息网(PAN)以及未来的下一代无线蜂窝移动通信系统中使用OFDM技术。下面，以数字音频广播、非对称数字用户线以及IEEE 802.11a无线局域网为例论述OFDM在实际通信系统中的应用。

9.1 数字音频广播

数字音频广播(DAB)是在现有模拟调幅(AM)和调频(FM)广播的基础上发展起来的，它可以提供更优质的语音质量、更新的数据业务以及更高的频谱效率，它所提供的语音质量可以与CD音质相媲美。1995年，欧洲电信标准协会(ETSI)首次提出了DAB标准，这是第一个采用OFDM的标准。

DAB标准包含4种传输模式，每种模式利用不同的OFDM参数集(参见表1)。其中模式1—3适用于特定的频段，而模式4可以提供更好的覆盖范围但是更容易受到多谱勒频移的影响。

在DAB系统中使用OFDM的一个重要原因是可以使用单频网络，这样可以大大提高系统的频谱效率。

在单频网络中，用户可以从不同的发射机同时接收相同的信号。由于不同发射机到达用户的距离不同，使得来自不同发射机的到达信号之间会存在时延(时延等于距离差除以光速)，对于用户来说，这种情况等同于不同径的衰落信道，因此，只要两个信号之间的传播时延小于OFDM符号的保护间隔，就不会出现符号间干扰(ISI)和子信道间干扰(ICI)。另外，两个时间移位信号的叠加，使得合成信号处于深度衰落的概率要远远低于一个信号处于深度衰落的概率，因此可以获得分集的好处。

DAB发射机的框图如图11所示。音频编码器的输入信号可以是经过脉冲编码调制(PCM)的单声道或者立体声音频输入信号，其抽样速率为48 kHz，音频编码器采用MPEG layer II编码方式，压缩编码后的语声信号可有多种速率(如单声道音频信号的速率可在32～192 kbit/s之间变化)。音频编码器的输出经过加扰，然后进行卷积编码。卷积编码采用码率为1/4、约束长度为7的卷积码。卷积编码的输出信号经过凿孔，可以进一步提高码率。卷积编码器输出信号的最大速率为2.2 Mbit/s。经过卷积编码后的信号与其他路的音频信号进行复用，然后加入辅助符号、同步符号等其他开销，经过OFDM调制、射频(RF)放大，通过天线或者电缆进行传送。同时在DAB的帧中传送的还有数据信号，这些数据信号可以是与音频广播节目相关的信息(如音乐的名称、作曲家的名字等)，也可以是独立的低速数据。辅助符号主要是一些用于对接收机进行控制的信息，包括业务信息(SI)和多路复用配置信息(MCI)。

9.2 非对称数字用户线

非对称数字用户线(ADSL)是由贝尔中心的Joe Lechleider于80年代末首先提出的利用电话网用户环路中的铜双绞线传送双向不对称比特率数据的方法。ADSL由安装在电话线两端的一对高性能调制解调器组成，可提供3条信息通道：高速单工下行信道、中速双工信道和普通电话业务(POTS)信道。ADSL采用频分复用技术，利用滤波器分离不同信道的信息，ADSL设备发生故障，POTS业务将不受影响。高速下行信道的速率范围为1.5～8 Mbit/s，双工信道的速率范围为16～640 kbit/s，每条信道还可通过多路复用分割成多条低速信道。ADSL可提供符合北美或欧洲标准的数字系列速率，而且还可为ATM提供可变速率。电话公司利用ADSL设备不需要布设新的线路就可向未来的用户提供许多新的宽带业务，如电视点播(VOD)、Internet接入、远程医疗、远程教育等。

ADSL在发展过程中，先后考虑过正交幅度调制(QAM)、无载波幅度相位调制(CAP)以及正交频分复用(OFDM)调制等3种调制方式。在ADSL中，OFDM通常被称为离散多音(DMT)调制。由于DMT调制对信道具有更好的适应性以及很容易对抗脉冲噪声等优点，最终被美国国家标准协会(ANSI)和国际电信联盟(ITU-T)选作ADSL的标准。

ADSL系统面临的不利因素有：

传输线路组成复杂。电信网中的铜双绞线可能由多种线径的传输线路组成，中间还可能存在各种桥接抽头。

高频衰减严重。ADSL需要利用铜双绞线的高频带宽(带宽可达到1 MHz)来传送高比特率信息，多数传输线路在频率达1 MHz时的衰减超过100 dB。

脉冲噪声干扰大。脉冲噪声干扰指线路上由闪电、电器开关、电话摘挂机和振铃等引起的脉冲噪声。

来自其他设备的串扰。串扰指相邻双绞线中其他数字传输业务对ADSL的干扰。

单频干扰。单频干扰指由无线电广播、工频的谐波等引起的对ADSL的干扰。

ADSL利用铜双绞线的0～1 MHz频段传输数据，它将这部分可用频段分成3段，其中0～4 kHz频段用于POTS业务，20～138 kHz频段用于传送 闲?从用户端到局端)控制信息，而下行(从局端到用户端)数字信道可采用频分复用(FDM)方式或频谱重叠方式分别占用138 kHz或者20 kHz以上的频段。在频谱重叠方式中，ADSL接收端需要采用回波抵消算法来分离上下行信道的信息。

ADSL中的OFDM调制参数可参见表2。ADSL系统收发信机的工作原理简要叙述如下：需要传送的信息比特首先进行Reed-Solomon(RS)编码，然后根据比特分配算法对编码后的比特进行串/并变换。比特分配的目的是根据ADSL各子信道的信噪比对所有子信道上所能传送的信息比特数进行优化分配，提高传输的可靠性。经过串/并变换后的比特再经过QAM调制，逆快速傅立叶变换(IFFT)，加入循环前缀(CP)，进行数/模(D/A)变换，然后经过耦合电路，通过双绞线信道进行发送。对于从双绞线接收到的信号，首先进行模/数(A/D)变换，然后进行时域均衡。时域均衡的目的是对双绞线的冲激响应持续时间进行缩短，从而减小进行OFDM调制时所需要加入的CP数量。经过时域均衡后的信号去掉CP，经串/并变换，然后进行快速傅立叶变换(FFT)。在频域中经过频域均衡，QAM逆映射，RS译码，然后得到所发送的数字信息。频域均衡的主要目的主要是为了消除信道特性、定时偏差以及信道估计误差等对接收信号的影响。

9.3 无线局域网

由于与现有的有线局域网相比，无线接入方式具有可提供便捷灵活的接入方式，并且支持移动性等优点。自上世纪90年代以来，无线局域网(WLAN)技术得到了人们的广泛关注。1997年6月，国际电气与电子工程师(IEEE)协会通过了IEEE 802.11无线局域网标准。该标准定义了媒体接入控制(MAC)层和3种不同的物理层(PHY)接口。其中的两种物理层接口工作在2.4 GHz频段，另一种物理层接口工作在红外频段。该标准支持1～2 Mbit/s的数据传输速率。为了进一步提高数据传输速率，IEEE于1999年9月通过了两种新的无线局域网物理层接口，分别是IEEE 802.11a和IEEE 802.11b标准。其中IEEE 802.11a工作在5 GHz频段，可提供6～54 Mbit/s的数据传输速率，IEEE 802.11b标准仍然工作在2.4 GHz频段，最大可提供10 Mbit/s的数据传输速率。表3中给出了IEEE 802.11a中的OFDM参数。

12中给出了IEEE 802.11a中OFDM收发机的信号处理框图。图中，在发射机路径中，二进制输入数据经过约束长度为7码率为1/2卷积编码器进行卷积编码。通过对编码器输出数据进行凿孔操作，卷积编码码率可以提高到2/3或3/4。经过交织之后，二进制数据进行QAM调制。为了便于相干检测，在48个数据数值中需要插入4个导频符号，这样在每个OFDM符号内就可以得到52个QAM复数值，然后经过IFFT，把这些符号调制到52个子信道中。为了使系统能够对抗多径衰落，需要在符号之间插入保护间隔。而且为了得到较小的带外辐射，还需要对符号进行加窗处理。最后，数字输出信号被转换为模拟信号，然后上变频转换到5 GHz频段，再经过射频放大，通过天线进行发送。

接收机执行发射机的逆操作，同时还需要执行附加的训练过程。首先，接收机必须利用前同步域中的特殊训练符号去估计频率偏差与符号定时。然后实施FFT解调，恢复所有子信道中的52个QAM复数值。导频符号被用于纠正信道影响，以及剩余的相位漂移。然后把QAM复数值逆映射为对应的二进制比特值。最后，对这些比特信息实施维特比译码，以恢复发送的二进制数据。

10、 结束语

从理论上来说，OFDM与单载波传输具有相同的信道容量。但是在具体的通信环境中，在存在严重符号间干扰或者多径影响的信道上采用OFDM传输可获得较好的性能。近来受到国内外广泛关注的1个研究领域是OFDM在下一代蜂窝无线通信系统中的应用，OFDM与多天线技术以及空时编码技术的结合可以大大提高蜂窝通信系统的性能。目前，OFDM已经基本被公认为是下一代蜂窝通信系统的核心技术。(续完)

参考文献：

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[2] 王立宁. 多载波扩频通信理论及应用研究 [D]. 北京：北京邮电大学, 2000.

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[5] 张平. Beyond 3G 移动通信系统关键技术 [J]. 北京邮电大学学报, 2002, 25(3):1—6.

收稿日期：2003-03-20

作者简介：

尹长川，北京邮电大学电信工程学院副教授，工学博士。目前正主持国家自然科学基金重大研究计划项目“基于正交频分复用的高速蜂窝因特网理论及关键技术研究”。主要研究领域为OFDM技术及其在下一代蜂窝移动通信系统中的应用。

罗涛，北京邮电大学电信工程学院讲师，工学博士，主要研究领域为空时编码、OFDM技术以及下一代蜂窝网络技术。

多路复用技术 第3篇

计算机网络是地理上分散的多台独立自主的的计算机遵循约定的通信协议, 通过软、硬件互连以实现交互通信、资源共享、信息交换、协同工作以及在线处理等功能的系统。网络间传递的信息主要是依靠数据的传输和交换, 随着全球网络技术的应用和推广, 不同实体之间的数据传输就显得尤为重要。为了更为有效地利用传输系统, 人们希望通过同时携带多个信号来高效率地使用传输介质, 这就是多路复用技术。配置多路复用线路有许多种不同方法, 多路复用器的类型也各异, 常用的有频分多路复用 (FDM) 、时分多路复用 (TDM) 、波分多路复用 (WDM) 、码分多路复用 (CDM) 等。

1 频分多路复用 (FDM)

一般的通信系统的信道所能提供的带宽往往要比传送一路信号所需的带宽宽得多。因此, 如果一条信道只传输一路信号是非常浪费的。为了充分利用信道的带宽, 提出了信道的频分复用。频分复用就是在发送端利用不同频率的载波将多路信号的频谱调制到不同的频段, 以实现多路复用。频分复用的多路信号在频率上不会重叠, 合并在一起通过一条信道传输, 到达接收端后可以通过中心频率不同的带通滤波器彼此分离开来。

图1是一个频分复用系统的组成框图。假设共有n路复用的信号, 每路信号首先通过低通滤波器 (LPF) 变成频率受限的低通信号。为简便起见, 假设各路信号的最高频率都相等。然后, 每路信号通过载频不同的调制器进行频谱搬移。一般来说调制的方式原则上可任意选择, 但最常用的是单边带调制, 因为它最节省频带。因此, 图中的调制器由相乘器和边带滤波器 (SBF) 构成 (如图1) 。

频分复用信号原则上可以直接在信道中传输, 但在某些应用中, 还需要对合并后的复用信号再进行一次调制。频分复用系统的最大优点是信道复用率高, 容许复用的路数多, 分路也很方便。因此, 它成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。

2 时分多路复用 (TDM)

时分复用 (TDM) 是建立在抽样定理基础上的。抽样定理指明:满足一定条件下, 时间连续的模拟信号可以用时间上离散的抽样脉冲值代替。因此, 如果抽样脉冲占据较短时间, 在抽样脉冲之间就留出了时间空隙, 利用这种空隙便可以传输其它信号的抽样值。时分复用就是利用各路信号的抽样值在时间上占据不同的时隙, 来达到在同一信道中传输多路信号而互不干扰的一种方法。

与频分复用相比, 时分复用具有以下的主要优点:

(1) TDM多路信号的合路和分路都是数字电路, 比FDM的模拟滤波器分路简单、可靠。

(2) 信道的非线性会在FDM系统中产生交调失真和多次谐波, 引起路间干扰, 因此, FDM对信道的非线性失真要求很高。而TDM系统的非线性失真要求可降低。

时分复用技术与频分复用技术一样, 有着非常广泛的应用, 电话就是其中最经典的例子, 此外时分复用技术在广电也同样取得了广泛地应用, 如SDH, ATM, IP和HFC网络中CM与CMTS的通信都是利用了时分复用的技术。

3 波分多路复用 (WDM)

光通信是由光来运载信号进行传输的方式。在光通信领域, 人们习惯按波长而不是按频率来命名。因此, 所谓的波分复用 (WDM, Wavelength Division Multiplexing) 其本质上也是频分复用技术。WDM是在1根光纤上承载多个波长 (信道) 系统, 将1根光纤转换为多条”虚拟”纤, 当然每条虚拟纤独立工作在不同波长上, 这样极大地提高了光纤的传输容量。由于WDM系统技术的经济性与有效性, 使之成为当前光纤通信网络扩容的主要手段。波分复用技术作为一种系统概念, 通常有3种复用方式, 即1310nm和1550nm波长的波分复用、粗波分复用 (CWDM, Coarse Wavelength Division Multiplexing) 和密集波分复用 (DWDM, Dense Wavelength Division Multiplexing) 。

(1) 1310nm和1550nm波长的波分复用这种复用技术在20世纪70年代初时仅用两个波长:1310nm窗口一个波长, 1550nm窗口一个波长, 利用WDM技术实现单纤双窗口传输, 这是最初的波分复用的使用情况。

(2) 粗波分复用继在骨干网及长途网络中应用后, 波分复用技术也开始在城域网中得到使用, 主要指的是粗波分复用技术。CWDM使用1200~1700nm的宽窗口, 目前主要应用波长在1550nm的系统中, 当然1310nm波长的波分复用器也在研制之中。粗波分复用 (大波长间隔) 器相邻信道的间距一般≥20nm, 它的波长数目一般为4波或8波, 最多16波。当复用的信道数为16或者更少时, 由于CWDM系统采用的DFB激光器不需要冷却, 在成本、功耗要求和设备尺寸方面, CWDM系统比DWDM系统更有优势, CWDM越来越广泛地被业界所接受。CWDM无需选择成本昂贵的密集波分解复用器和光纤放大器, 只需采用便宜的多通道激光收发器作为中继, 因而成本大大下降。

(3) 密集波分复用

密集波分复用技术 (DWDM) 可以承载8~160个波长, 而且随着DWDM技术的不断发展, 其分波波数的上限值仍在不断地增长, 间隔一般≤1.6nm, 主要应用于长距离传输系统。在所有的DWDM系统中都需要色散补偿技术 (克服多波长系统中的非线性失真--四波混频现象) 。在16波DWDM系统中, 一般采用常规色散补偿光纤来进行补偿, 而在40波DWDM系统中, 必须采用色散斜率补偿光纤补偿。目前, 采用DWDM技术, 单根光纤可以传输的数据流量高达400Gbit/s, 随着厂商在每根光纤中加入更多信道, 每秒太位的传输速度指日可待。

4 码分多路复用 (CDM)

码分复用 (CDM, Code Division Multiplexing) 是用一组相互正交的码字区分信号的多路复用方法。在码分复用中, 各路信号码元在频谱上和时间上都是混叠的, 但是代表每路信号的码字是正交的。

码分复用主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术, 包括无线和有线接入。例如在多址蜂窝系统中是以信道来区分通信对象的, 一个信道只容纳1个用户进行通话, 许多同时通话的用户, 互相以信道来区分, 这就是多址。移动通信系统是一个多信道同时工作的系统, 具有广播和大面积覆盖的特点。在移动通信环境的电波覆盖区内, 建立用户之间的无线信道连接, 是无线多址接入方式, 属于多址接入技术。联通CDMA (Code Division Multiple Access) 就是码分复用的一种方式, 称为码分多址, 此外还有频分多址 (FDMA) 、时分多址 (TDMA) 和同步码分多址 (SCD-MA) 。实际上我们国家第一代移动通信系统是采用FDMA的模拟蜂窝系统。第二代移动通信系统是采用TDMA或窄带CDMA为主的数字蜂窝系统。第三代移动通信系统中的主流技术为CDMA技术, 它意味着代表所有用户的伪随机码在到达基站时是同步的, 由于伪随机码之间的同步正交性, 可以有效地消除码间干扰, 系统容量方面将得到极大的改善。

参考文献

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多路复用技术 第4篇

数字电视技术的日趋成熟使输出图像的质量达到了广播级,为了充分利用有线电视网络宽带资源、加速“三网融合”[1],基于MPEG-2/DVB规范复用器的开发极为关键。多路传输流复用器是所有数字电视前端的核心设备。目前大部分复用器都是用硬件来实现,随着计算机处理速度的加快、多核技术的发展,完全可以用软件来实现多路节目的复用[2,3]。

从MPEG-2包流结构剖析可得出,系统传送的并不是一个不可分割的节目[4],这为多路传输流复用提供了可行性。尽管标准中没有给出复用的具体方法,但这使软件复用具有更多的自由性与灵活性。通过对MPEG-2码流结构的分析、PSI重构、PCR修正等关键技术的研究,在Visual C++6.0开发环境中设计并实现了多路传输流的软件复用器。与硬件复用器相比,具有开发成本低、灵活性高、可移植性强等优点,并且加速了有线电视网络软件化。

2 MPEG-2码流结构

包流技术是MPEG-2的核心,系统部分13818-1主要定义了两种类型的码流:节目流(Program Stream,PS)和传输流(Transport Stream,TS)。PS应用于没有错误产生的媒体存储,如DVD等存储介质;TS适应于有噪声产生的远距离网络传输,典型应用是数字电视节目的传送[5,6]。笔者主要讨论多路单节目传输流(Single Program Transport Stream,SPTS)复用为一路多节目传输流(Multiplex Program Transport Stream,MPTS)的过程。图1描述了SPTS的生成过程[7,8]。

为了保证含有PES的TS数据包正确传输,需要定义专门描述MPEG-2 TS所携带内容的信息表,即节目专用信息(Program Specific Information,PSI)。PSI包含4种类型的表结构:节目关联表(Program Association Table,PAT)、节目映射表(Program Map Table,PMT)、条件访问表(Conditional Access Table,CAT)、网络信息表(Network information Table,NIT)。如图2所示,它将TS描述成一个树状结构[9],PAT给出了节目号及其对应PMT的PID,PMT给出了本节目的PCR-PID,Video-PID,Audio-PID,Data-PID。

PAT和PMT是确定当前TS中各个节目内容最关键的两个表,通过对多路SPTS的PSI获取,重构PAT和PMT,形成一路MPTS的PSI树状结构,完成多路SPTS软件复用为一路MPTS的预处理。

3 多路SPTS软件复用的关键技术

13818-1规定了两层复用框架:第一层为节目复用、第二层为系统复用,即信道复用。笔者主要用软件来设计实现系统复用器,图3为系统复用的原理框图,其中PSI的获取与重构、PID重映射、PCR修正是要解决的关键技术。

3.1 PSI获取

在TS Parser模块,设计CTSPacket Header和CTSPacket为属性类,CTSParse为操纵类,CTSPAT和CTSPMT由CTSPacket派生出。通过该模块,软件可以实现PSI的获取。

图4为TS的包流结构,TS Parser模块首先检测码流基本结构,主要是SPTS包头的4 byte。需要对整个包流扫描一遍,检测到sync_byte为0x47的包后,直接检测下一个包的同步字节是否仍为0x47,以加快检测速度。当出错时,给出警告信息。

如果第一次扫描无误,则进行下一次扫描。查找PID为0x0000的包,即含有PAT的包,从该包中解析出节目号及其相关的PMT-PID。根据PMT-PID,找到含有PMT的包,解析出对应节目的PCR-PID,Video-PID,AudioPID和Data-PID,根据各个PID,在TS包中逐个查找PCR,V-ES,A-ES和D-ES。

3.2 PSI重构与PID重映射

根据MPEG-2规范,SPTS和MPTS都必须含有一个PAT,多个PMT。k路SPTS系统复用为一路MPTS,需要对PSI进行重构,即对k路SPTS的k个PAT重构为一路MPTS的一个PAT,并替换原来的PMT。之后,将重构后的PSI封装成TS包,周期性的插入到MPTS中。

由于不同节目的来源不同,各个包的PID有可能发生冲突,确保终端可以正常解码,需要对PID进行重新标识,即PID重映射。图5为本软件复用6路节目后,PSI的逻辑关系图。

3.3 PCR修正

由于时分复用,多路SPTS在合成一路MPTS时,各路节目复用的延时不同,使各个包的相对时域位置发生改变,为了生成正确的时序,使解码器能够无偏差的恢复编码器的时间信息达到收发同步,所以需要对PCR进行修正。

根据MPEG-2规范,TS的PCR字段共42 bit,分两部分编码,即PCR_base和PCR_ext,具体为

其中,PCR_base占33 bit,以系统时钟频率的1/300为单位,即90 k Hz,则

其中,PCR_ext占8 bit,以系统时钟频率为单位,即27 MHz,则

传统的硬件PCR修正方法是通过计算含有PCR的包在复用器中随机产生的延时,然后用该延时对PCR进行补偿,来消除PCR抖动。

在多路SPTS复用为一路MPTS的过程中,采用交织调度算法[10],通过加入空包补偿,对MPTS的PCR包进行位置修正,使之与SPTS的PCR包位置吻合,并且保证每路SPTS的包在复用后的MPTS中出现的频率接近于SPTS与MPTS的码率比。这样,就解决了包的随机排序引起的PCR误差,使复用后的MPTS的PCR误差控制在系统允许的范围内。

4 软件的设计与实现

4.1 数据结构

从本文第2部分可以看出,PSI将TS描述为树状结构。通过TS Parser模块,解析出PAT和PMT,然后重构出MPTS的PSI,采用树状链表结构来存储MPTS的PSI。

4.2 程序流程图

PSI重构是多路SPTS复用为一路MPTS的关键,其程序流程图如图6所示。

5 软件测试及分析

本软件TSMultiplexer对6路节目进行复用,复用后的文件为MPTS.ts。对文件MPTS.ts进行测试及分析,测试结果如表1所示。

通过测试结果可以看出,复用后的MPTS中,包的占用比例和其码率成简单的正比关系,符合交织调度算法。复用后的码率接近39.99 Mbit/s,远高于一路传输码流速率,可以实现6路节目复用,并且码流解复用正常,视音频播放效果良好,没有出现声音、图像不连续或失步的情况。

参考文献

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多路复用技术 第5篇

关键词：卫星导航,北斗,多路复用,复用效率

中国第二代北斗卫星导航系统将分为区域系统和全球系统两个阶段逐步完成[1]。北斗B1频段区域信号的中心频点在1 561.098 MHz,采用QPSK(2)调制;出于与GPS和Galileo系统实现互操作的需求,北斗B1频段全球信号的中心频点在1 575.42 MHz,包括公开服务信号和授权服务信号。由于北斗系统建设是逐步完成的,需要在一段时期内保持区域信号和全球信号的共存。因此,研发多路导航信号的复用优化方案成为北斗信号体制设计的一项紧迫任务。

本文针对北斗B1频段导航信号的多路复用方式及其性能开展分析研究。为了确保所提出的复用方案的全面性与最优性,根据所需复用的不同信号数量和信号间不同的相位约束关系,提出了相应的多路复用优化方案,并以信号间的功率分配比为参数对相应的复用策略及复用效率进行评估,以期找到在复用性能上最优的方案,同时也为未来进一步在卫星载荷实现复杂度上的权衡提供更全面的参考。

1 北斗系统的平稳过渡问题

由于北斗两个阶段的系统建设是逐步完成的,为了保障北斗能够在提供持续、可靠的区域定位服务的同时,完成全球系统的卫星组网部署,全球系统的信号体制必须兼容区域系统的信号体制,尽可能降低信号体制过渡的风险。这就需要在一段时期内保持区域信号和全球信号的共存来实现北斗系统建设的平稳过渡。

因此,在北斗B1导航频段上,导航卫星需要同时发射低频端的区域信号和高频端的全球信号。一种信号生成方案是通过两条独立的发射链路分别产生区域信号和全球信号,但是该方法会增加星上功率放大器的个数和发射载荷的设计难度。所以希望将区域信号和全球信号恒包络复用在同一载波上,通过一条链路发射其复用信号。

针对多路导航信号的互复用问题,参考文献[2-4]分别给出了POCET相位优化恒包络、多数表决逻辑和Inter-Vote复用方法,通过增加额外的互调分量实现复用信号的包络恒定化。但这些方法只能实现同频点导航信号的多路复用,并不能解决当信号分量调制在不同频点的恒包络复用问题。另外,上述方法只给出了针对确定的信号功率分配比的结果,而未分析复用效率与信号功率分配之间的关系以及复用效率最大化的信号功率配置方式。

由于北斗系统的区域信号与全球信号中心频率不一致,提出采用一路复子载波(即两路正交的实子载波)实现区域信号以1 575.42 MHz为中心频点的单边带调制,可表示为:

其中,fsc为14.322 MHz。在这种实现方式下,区域信号B1I和B1Q实际上分别由两路正交的信号分量构成,可表示为SB1I-I、SB1I-Q和SB1Q-I、SB1Q-Q。

本文根据所需复用的不同信号数量和信号间不同的相位约束关系,在现有成熟复用技术下,提出相应的多路复用优化方案。通过评估复用效率与信号功率分配之间的关系,确定在复用性能上最优的方案,有效解决北斗系统建设面临的平稳过渡问题。

2 多路导航信号复用方法

2.1 POCET复用方法

POCET方法是一种直接根据输入的二进制信号调制载波相位的恒包络复用技术[2]。对于N路待复用的二进制导航信号,所需满足的期望功率和各信号间相位约束关系可表示为:

其中,A是调制信号的包络幅度;bn(k)取值0或1;θ是包含所有可能的复信号相位的向量。corrn(θ)是复信号与第n个本地复现的信号的复相关值;corrl(θ)是复信号与第l个本地复现的信号的复相关值。

POCET方法的实质是通过优选出每种状态对应的调相角度θk(0≤k≤2N-1),使幅度信号A最小化的约束优化问题。可通过基于罚函数的优化方法,将信号幅度A与非线性约束的罚值组合进行数值优化,如下式所示:

其中,惩罚因子μa和μb为正数。随着惩罚因子变大,结果逼近最优。由于N路信号的总功率即为接收机实际测量的有效信号功率,该方法复用效率可表示为:

其中,,N个信号的期望功率之和;A2为星上总的发射功率。

2.2 Inter-Vote复用方法

Inter-Vote是一种通过联合使用多数表决逻辑和Interplex调制的恒包络复用技术[3,4,5]。对于5路二进制信号(S1、S2、S3、S4、S5)的复用,按照功率分配单调递增的关系排序为(g1、g2、g3、g4、g5),将3路信号(S1、S2、S3)采用多数表决的复用效率可表示为:

再将通过多数表决逻辑产生的复信号作为I路输入信号,并与其余2路信号采用Interplex调制产生恒包络复用信号,5路二进制信号分配如下所示:

由于采用多数表决复用造成了功率损失,使得作为Interplex输入的c2信号的功率效率由1变为ηMV,则Inter-Vote总的复用效率可表示为:

类似的,当产生的复信号作为Interplex的Q路输入信号时,Inter-Vote总的复用效率可表示为:

3 北斗系统B1频段信号的复用策略

针对北斗系统B1频段导航信号的复用问题,根据所需复用的不同信号数量提出三种复用策略:

(1)当仅区域信号B1I与全球信号共用信号生成与发射链路时,需要实现5路二进制信号的恒包络复用。包括区域信号B1I的同相子载波分量SB1I-I和正交子载波分量SB1I-Q;全球公开服务信号B1C的数据信道SB1C_d和导频信道SB1C_p;全球授权服务信号SB1A(假设授权信号的数据信道SB1A_d与导频信道SB1A_p采用与GPS M码相同的TDDM调制[6]合成为一路复信号)。

(2)出于抗多址干扰需求的考虑,当授权信号B1A不采用TDDM调制时,需要实现6路二进制信号的恒包络复用。包括区域信号B1I的同相分量SB1I-I和正交分量SB1I-Q;全球B1C信号的数据信道SB1C_d和导频信道SB1C_p全球授权信号B1A的数据信道SB1A_d和导频信道SB1A_p。

(3)当区域信号B1I和B1Q同时与全球信号共用信号生成与发射链路时,需要实现7路二进制信号的恒包络复用。包括区域信号B1I的同相分量SB1I-I和正交分量SB1I-Q;区域信号B1Q的同相分量SB1Q-I和正交分量SB1Q-Q;全球B1C信号的数据信道SB1C_d和导频信道SB1C_p;采用TDDM调制的全球授权信号SB1A。

由于北斗系统B1频段全球信号分量间的相位关系还未最终确定。在分析中假设全球B1C信号的数据信道SB1C_d与导频信道SB1C_p的相位关系存在同相或正交两种可能。针对上述三种复用策略,在不同的相位约束条件下,提出相应的多路复用方案实现北斗B1信号的恒包络复用。

3.1 5路信号的复用方案

当SB1C_d与SB1C_p相位同相并与SB1A正交时,提出两种恒包络复用方案。方案1是采用POCET方法将5路信号合成一路复信号;方案2是采用Inter-Vote方法将5路信号合成一路复信号。其中,参与多数表决逻辑复用的3路信号配置见表1。

当SB1C_d与SB1C_p相位正交时,进一步提出三种恒包络复用方案。方案3是采用POCET方法将5路信号合成一路复信号;方案4和方案5是采用Inter-Vote方法将5路信号合成一路复信号。其中,参与多数表决逻辑复用的3路信号配置见表1。

3.2 6路信号的复用方案

当SB1C_d与SB1C_p相位同相并与SB1A_d、SB1A_p正交时,提出三种恒包络复用方案。方案6是采用多数表决逻辑将I路SB1C_d、SB1C_p、SB1I-I和Q路SB1A_d、SB1A_p、SB1I-Q分别复用,再将产生的两路复信号采用QPSK调制合成一路复信号;方案7和方案8是采用多数表决将6路信号中的3路复用,再将产生的复信号与其余3路采用POCET方法合成一路复信号。其中,参与多数表决逻辑复用的3路信号配置见表2。

当SB1C_d与SB1C_p相位正交时,进一步提出三种恒包络复用方案。方案9是采用多数表决逻辑将I路SB1C_d、SB1A_d、SB1I-I和Q路SB1C_p、SB1A_p、SB1I-Q分别复用,再将产生的两路复信号采用QPSK调制合成一路复信号;方案10和方案11是采用多数表决将6路信号中的3路复用,再将产生的复信号与其余3路采用POCET方法合成一路复信号。其中,参与多数表决复用的3路信号配置见表2。

3.3 7路信号的复用方案

当SB1C_d与SB1C_p相位同相并与SB1A正交时,根据参与多数表决复用的I路信号分量的不同组合,提出三种基于Inter-Vote方法的恒包络复用方案。将I路SB1C_d、SB1C_p、SB1I-I和SB1Q_I中的3路采用多数表决复用生成I路的复信号,并将SB1A、SB1I-Q和SB1Q-Q采用多数表决复用生成Q路的复信号,再将两路复信号与其余1路信号采用Interplex调制合成一路复信号。其中,参与I路多数表决复用的3路信号配置见表3。

4 仿真分析

由于北斗系统B1频段区域信号与全球信号的接收功率比还未最终确定。在分析中假设区域信号B1I与全球信号B1C的功率比为γ,在不同复用策略下,各信号间的功率分配比可表示为:

(1)5路信号分量SB1C_d、SB1C_p、SB1A、SB1I-I、SB1I-Q的功率比为;

(2)6路信号分量SB1C_d、SB1C_p、SB1A_d、SB1A_p、SB1I-I、SB1I-Q的功率比为;

(3)7路信号分量SB1C_d、SB1C_p、SB1A、SB1I-I、SB1I-Q、SB1Q-I、SB1Q-Q的功率比为。

图1绘出了γ在-5 d B~5 d B范围内选取典型值时,5路信号复用的各方案所对应的复用效率。由图1可知,当B1I比B1C的功率低3 d B时,方案1至方案4的最小复用损耗分别为-1.26 d B、-1.14 d B、-1.04 d B和-1.25 d B。由此可见,当B1I信号功率小于B1C时,在SB1C_d与SB1C_p相位同相的约束条件下,方案2的复用性能优于方案1;在SB1C_d与SB1C_p相位正交的约束条件下,方案3的复用性能最优。当B1I信号比B1C信号功率强2 d B时,方案5的最小复用损耗为-1.15 d B。可见,当需要B1I信号比B1C信号功率强时,方案5具有较大的参考价值。

图2绘出了γ在-5 d B~5 d B范围内选取典型值时,6路信号复用的各方案所对应的复用效率。

由图2可知,当B1I信号的接收功率等于B1C时,方案6和方案9的最小复用损耗均为-1.74 d B,与其他方案相比复用损耗过大,性能并不理想;当B1I比B1C的功率低4 d B时,方案7和方案10的最小复用损耗分别为-1.39 d B和-1.32 d B;而当B1I比B1C的功率低1 d B时,方案8和方案11的最小复用损耗分别为-1.26 d B和-1.42 d B。由此可见,出于抗多址干扰需求的考虑,虽然授权信号B1A不采用TDDM调制会增加所需复用的信号数量,但当B1I信号功率与B1C相近时,在SB1C_d与SB1C_p相位同相约束条件下,方案8的复用性能优于5路信号复用的方案1和方案2。

图3绘出了γ在-5 d B~5 d B范围内选取典型值时,7路信号复用的各方案所对应的复用效率。

由图3可知,当区域信号B1I和B1Q同时与全球信号共用信号生成与发射链路时,方案12和方案14在B1I信号的接收功率比B1C低3 d B时的最小复用损耗分别为-1.83 d B和-1.60 d B。可见,由于所需复用的信号数量达到7路,导致最优的复用效率比只保留区域信号B1I的情况有较大的下降。而当B1I信号的接收功率比B1C高2 d B时,方案13是最优选择,此时最小复用损耗为-1.45 d B。

针对北斗系统建设面临的平稳过渡问题,本文探讨了北斗B1频段导航信号的多路复用策略。在所需复用的不同信号数量和信号间不同的相位约束条件下,提出了相应的多路复用解决方案。通过分析复用效率与信号功率分配之间的关系,确定了在复用性能上最优的适用方案。本文的研究结果为确定我国自主的导航信号体制设计和优化提供了理论支撑和可行的参考方案,对未来北斗系统建设中灵活的导航载荷设计有着重要的参考意义。

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